QuantumATK在材料表面与界面研究中的应用

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概述

AgSiO2Si-interface

Ag-SiO2-Si界面;下图用LDOS显示了体系的能带状况。

块体材料的研究已经非常成熟,因此材料的表面与界面的重要性就格外的凸显出来。材料的表面态、表面化学等在最近的拓扑绝缘体、催化等热门领域里都占据着决定性的位置。与此同时,新型材料越来越复杂,不同材料组成的异质界面成为许多功能器件的基础,最常见的一个例子是半导体领域里的含有高k介电材料的多层门电极堆叠。由于界面层往往很薄,其中的缺陷起着十分重要的作用,这需要在原子级别上描述结构,才能充分考虑杂质、空位等对性质的影响;同时,只有进行基于量子力学的计算模拟,才能计算例如肖特基势垒和漏电流等。在原子级别上对材料表面和界面进行量子力学的模拟正是 QuantumATK 最为擅长的领域。

片层(Slab)模型

与其他的周期性模型程序类似,QuantumATK 也可以用传统的 Slab 模型来描述表面或界面体系,但Slab模型有很大的缺陷和局限:

  • Slab 最大的不足是无法模拟实际表面下方通常是无限大的块体材料;
  • 由于厚度有限,Slab 中的电子容易体现出量子限制的效应;
  • 两个表面之间、表面与界面之间存在相互影响;
  • 很难正确的在表面方向模拟外加电场;
  • 经常需要表面钝化、偶极校正等额外补救措施。

单电极表面(One-probe surface)模型(或半无限表面模型)

为此,QuantumATK 基于 DFT 和格林函数方法方法开发了真正可以模拟半无限表面体系的模型,即将一个表面 Slab 模型耦合于半无限的块体结构上(见下图)。

详细介绍参见QuantumATK独有的新功能:非平衡态格林函数方法研究半无限表面模型


双电极材料界面(Two-probe interface)模型与性质计算

采用双电极界面模型模拟材料界面,比Slab模型更加便捷,可以避免Slab模型的上述问题。此外,双电极模型还可以更好的研究:

  • 异质结的电流-电压特性,例如:
    • 漏电流
    • 金属-半导体界面的肖特基势垒
  • 磁性隧道结的自旋输运
  • 缺陷(杂质和空位)对输运性质的影响;
  • 界面上的电荷转移

使用QuantumATK研究表面与界面体系的优势

通用、高效的计算引擎

QuantumATK 计算基于第一性原理,因此可以用于研究全新材料的各种性质,例如:
  • 传统金属-半导体界面
  • 高k介电材料
  • 金属、半导体纳米线
  • 纳米管、金属纳米管接触
  • 原子簇
  • 等等
QuantumATK 中使用局域基组展开方法,尤其适用于研究局域化缺陷(杂质、空位等),ATK-DFT计算引擎可以计算千原子级别的体系的性质。ATK-SemiEmpirical 则可以计算更大的体系。

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